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Institut Max Planck

 
 

La société Max-Planck pour le développement de la science est un organisme de recherche indépendant à but non lucratif basé principalement en Allemagne. À l’instar de ceux de la plupart des groupes de recherche scientifique du monde, les travaux et l’analyse des résultats de cet institut dépendent fortement de la capacité de calcul de son centre informatique. Les recherches dans le domaine de la cryomicroscopie électronique en 3D du professeur Holger Stark et de son groupe ont été considérablement accélérées par l’adoption par l’institut d’une solution de calcul parallèle sur processeurs graphiques (GPU) utilisant les technologies CUDA et Tesla de NVIDIA.

DÉFI

Les travaux du professeur Stark visent à améliorer notre compréhension de la structure et des mouvements 3D de petites structures nanomoléculaires que l’on appelle les macromolécules. Présentes dans toutes les cellules vivantes, ces « machines » biologiques sont responsables de la plupart des processus fondamentaux de la vie et il est donc capital d’acquérir une vision précise de leurs mécanismes. Les antibiotiques, par exemple, fonctionnent en agissant sur les fonctions d’un type particulier de macromolécule que l’on appelle un ribosome. Ainsi, mieux comprendre les ribosomes et leurs mécanismes pourra permettre à la recherche médicale de développer des médicaments efficaces.

Pour produire des images en 3D des macromolécules, l’équipe du professeur Stark utilise un microscope électronique. Bien que les microscopes électroniques modernes puissent atteindre des résolutions supérieures à la distance entre les atomes individuels, les structures biologiques étudiées ici seraient détruites par un faisceau électronique aussi intense. Par conséquent, pour éviter d’endommager les structures biologiques, l’équipe refroidit ses échantillons à une température extrêmement basse puis utilise une dose d’électrons relativement faible pour observer la structure et les mouvements en 3D des macromolécules. La basse résolution employée est à l’origine d’images fortement bruitées qui doivent être nettoyées, ce qui a amené les chercheurs à développer des outils de traitement d’image 3D qui réduisent le bruit et alignent rapidement de nombreuses images pour améliorer la précision.

Ainsi, en utilisant un cluster de CPU doté de 48 cœurs, l’équipe est parvenue à aligner 15 000 images en sept jours environ. Cependant, à ce rythme, son objectif – aligner un million d’images – prendrait 1,3 ans pour chaque molécule étudiée.

Solution

Depuis le mois de février 2008, les locaux de l’institut de Göttingen accueillent la première installation NVIDIA® Tesla™ du monde, soit 200 GPU en configuration serveur. En utilisant le langage de programmation NVIDIA CUDA™ pour exécuter leurs algorithmes sur les solutions serveurs Tesla, les chercheurs sont à même d’exploiter la puissance de calcul informatique massivement parallèle des GPU et d’effectuer leurs calculs bien plus rapidement.

Avec cette configuration de GPU, l’alignement d’un million d’images prend désormais 14 heures, ce qui est plus de 800 fois plus rapide que ce qui était possible avec la grappe de CPU précédente. Compte tenu de ces résultats, l’institut projette d’agrandir son installation Tesla afin de parvenir à réaliser le processus d’alignement des images en neuf heures seulement ce qui placera la performance théorique du cluster de GPU de Göttingen sur le même plan que les supercalculateurs les plus puissants du monde.

« La technologie GPU de NVIDIA est exactement ce dont notre équipe avait besoin », explique Stark, « et elle est arrivée au bon moment. La différence dans notre travail est fondamentale : nous pouvons désormais effectuer en quelques heures des calculs qui étaient d’une lenteur impossible sur notre solution à base de CPU précédente. Cette technologie nous donne un nouvel élan sur le double front de l’innovation et de la découverte. »

Impact

Les progrès de la recherche dans le domaine des relations entre antibiotiques et macromolécules devraient déboucher sur le développement de médicaments et antibiotiques plus efficaces. Tout porte croire que, dans le temps, ces progrès contribueront à réduire les temps de reprise après une maladie ou une intervention chirurgicale et à sauver des vies.



 
 
 
 
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